نیکل یکی از فلزاتی است که در ساخت بسیاری از انواع باتری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای $50$ سال وسایل قابل حمل به باتری‌های نیکل-کادمیوم (Ni-Cd) وابسته بودند. در سال $1990$ به‌دلیل مشکل سمی بودن باتری‌های نیکل-کادمیوم در کنار ویژگی مطلوب مقاومت آن، استفاده از باتری‌های نیکل-متال-هیدرید (Ni-Metal-Hydride) توسعه یافت. بسیاری از ویژگی‌های باتری‌های نیکل-کادمیوم به باتری‌های نیکل-متال-هیدرید منتقل شدند و بسیار شبیه هم هستند. امروزه به‌دلیل مشکلات زیست‌محیطی، استفاده از باتری‌های نیکل-کادمیوم محدود شده است. در این نوشتار، سعی شده تا مرور مختصری بر برخی از انواع تکنولوژی‌های متداول باتری‌های نیکلی صورت گیرد.

نیکل-کادمیوم

این باتری در سال $1899$ توسط جانگنر (Jungner) اختراع شد. این باتری مزایایی نسبت به باتری‌های سرب-اسید داشت. بنابراین به‌عنوان باتری قابل شارژ دیگر در کنار سرب-اسید محسوب می‌شد. اما مواد استفاده‌شده در آن گران‌قیمت بود. توسعه‌ی این باتری با سرعت پایینی بود. اما در سال $1932$ پیشرفت‌هایی در این زمینه صورت گرفت و مواد اکتیو، داخل الکترود نیکلی متخلخل گذاشته شد. در سال $1947$ با جذب گازهای تولیدی حین شارژ، بهبودهای بیشتری در این زمینه صورت گرفت و این باتری به یک باتری مدرن تبدیل شد.

برای سال‌های زیادی این باتری برای فرستنده‌های رادیویی، تجهیزات پزشکی اضطراری، دوربین‌های ویدئویی حرفه‌ای و ابزارهای توان استفاده می‌شد. در سال $1980$ باتری نیکل-کادمیوم فراظرفیت با ظرفیت $60 \%$ بالاتر از باتری نیکل-کادمیوم استاندارد، جهان را متحول کرد. این ظرفیت بالا توسط مواد اکتیو بیشتر در پیل ایجاد شد. اما نتیجه‌ی این کار افزایش مقاومت داخلی و کاهش تعداد سیکل‌ها بود.

باتری نیکل-کادمیوم استاندارد به‌عنوان یک باتری مقاوم شناخته می‌شود و صنعت هوایی از این سیستم استفاده می‌کند ولی باید نسبت به طول عمر این باتری توجه داشته باشد. باتری نیکل-کادمیوم و هم‌چنین در مواردی باتری نیکل-متال-هیدرید اثر حافظه دارند که اگر سیکل دشارژ به‌طور کامل انجام نشود، باعث می‌شود که ظرفیت آن کاهش یابد. به‌نظر می‌رسد که این باتری انرژی قبلی تحویل‌داده‌شده به آن را در خاطر دارد و بنابراین در مواقعی که یک روال وجود دارد، نیاز به انرژی بیشتری ندارد.
مزایا:
1. مقاومت بالا و تعداد سیکل بالا با تعمیر و نگهداری مناسب
2. تنها باتری‌ای که می‌تواند با کم‌ترین تنش و سرعت بالا شارژ شود.
3. عملکرد بار مناسب که باعث می‌شود در موارد استفاده‌ی نامناسب از آن نیز خوب کار کند.
4. عمر مفید بالا که باعث می‌شود بتواند مرحله‌ی دشارژ طولانی را تحمل کند و قبل از استفاده به انرژی اولیه نیاز داشته باشد.
5. نگهداری و انتقال ساده
6. عملکرد مناسب در دمای پایین
7. قیمت مناسب
8. قابل دسترسی در اندازه‌ها و عملکردهای مختلف

معایب:
1. انرژی مخصوص نسبتاً پایین
2. اثر حافظه که باعث می‌شود به دشارژ کامل متناوب نیاز داشته باشد.
3. دشارژ خودبه‌خودی بالا
4. ولتاژ کم هر سل که باعث می‌شود برای دست‌یابی به ولتاژ بالاتر به سل‌های بیشتری نیاز باشد.
5.کادمیوم فلز سمی است و نمی‌توان آن را دفن کرد

نیکل-متال-هیدرید

تحقیقات روی این باتری در سال $1967$ شروع شد. با این وجود، ناپایداری‌های این باتری، توسعه‌ی باتری‌های نیکل-هیدروژن (NiH) را موردتوجه قرار داد. در سال $1980$، کشف ترکیب جدیدی از هیدرید، پایداری را بهبود بخشید و امروزه انرژی مخصوص باتری نیکل-متال-هیدرید، $40\%$ بیشتر از باتری نیکل-کادمیوم استاندارد است.

باتری نیکل-متال-هیدرید بدون نقص نیست. این باتری ظریف است و حین شارژ به دقت بیشتری نسبت به باتری نیکل-کادمیوم نیاز دارد. باتری نیکل-متال-هیدرید با نرخ دشارژ خودبه‌خودی $20\%$ در $24$ ساعت اولیه بعد از شارژ و $10\%$ در ماه، بالاترین رتبه را در این کلاس دارا است. اصلاح مواد در ترکیب هیدرید، دشارژ خودبه‌خودی و خوردگی را کاهش می‌دهد. اما با این کار، انرژی مخصوص نیز کاهش می‌یابد. در قطارهای برقی این اصلاح انجام می‌شود تا بتوان به مقاومت لازم و طول عمر دست یافت.

مزایا:
1.$30-40\%$ ظرفیت بالاتر نسبت به باتری نیکل-کادمیوم
2. اثر حافظه‌ی کمتر نسبت به باتری نیکل-کادمیوم
3. نگهداری و انتقال ساده
4. دوستدار محیط زیست؛ تنها شامل مقدار کمی از مواد سمی است.
5.محتوای نیکل باعث می‌شود که بازیافت، مفید باشد.
6. محدوده‌ی دمایی بالا

معایب:
1. عمر محدود، دشارژ عمیق باعث کاهش عمر آن می‌شود.
2. نیازمند به الگوریتم شارژ پیچیده، حساس نسبت به شارژ بیش از ظرفیت
3. در حین شارژ سریع و دشارژ بالا حرارت تولید می‌کند.
4. دشارژ خودبه‌خودی بالا
5.بازده کولونی $65\%$ (بازده کولنی باتری لیتیوم-یون در حدود $99\%$ است.)

نیکل-آهن

بعد از اختراع باتری نیکل-کادمیوم در سال $1899$، جانگنر (Jungner) تلاش کرد برای کاهش هزینه، آهن را جایگزین کادمیوم کند. با این وجود بازده شارژ پایین و تشکیل گاز (تولید هیدروژن) باعث شد تا از توسعه‌ی این باتری منصرف شود.

در سال $1901$، ادیسون با جایگزینی سرب-اسید در باتری نیکل-آهن توسعه‌ی آن را برای وسایل نقلیه‌ی الکتریکی ادامه داد. او ادعا کرد که این باتری بهترین باتری است که در آن از ورق‌های سرب و اسید استفاده می‌شود. اما هنگامی که خودروهای بنزینی گسترش یافت و صنعت خودرو توانایی این باتری را به‌عنوان استارتر، روشنایی و احتراق نادیده گرفت، بسیار ناامید شد.

در باتری نیکل-آهن از اکسید-هیدروکسید به‌عنوان کاتد و از آهن به‌عنوان آند استفاده می‌شود. الکترولیت استفاده‌شده در این باتری نیز پتاسیم هیدروکسید است. این باتری ولتاژ نامی $1.2$ ولت تولید می‌کند. این باتری قابلیت تحمل شارژ و دشارژ بیش از ظرفیت را دارا است و طول عمر آن بیش از $20$ سال در شرایط آماده به کار است. مقاومت در برابر ارتعاشات و دمای بالا باعث شد تا از این باتری در معادن اروپا استفاده شود. در طول جنگ جهانی دوم از این باتری در بمبهای $\rm V-1$ و راکتهای $\rm V-2$ آلمانی استفاده شد. موارد دیگر استفاده از این باتری در راه‌آهنها، لیفتراک‌ها و موارد ایستا و بدون حرکت است.

این باتری انرژی مخصوص پایینی در حدود $50~\rm Wh~{kg}^{-1}$ دارد و عملکرد ضعیفی در دماهای پایین دارد. مقدار دشارژ خودبه‌خودی این باتری نیز $20-40 \%$ در ماه است. این عوامل به همراه هزینه‌ی ساخت بالا صنعت را ترغیب کرد تا از باتری‌های سرب-اسید استفاده کند.

پیشرفت‌هایی در زمینه‌ی بهبود این باتری در حال انجام است و این باتری به‌عنوان گزینه‌ای جهت استفاده در تولید برق پراکنده است. تکنولوژی بسته‌بندی صفحات، دشارژ خودبه‌خودی را کاهش داد. این باتری‌ها در مقابل شارژ و دشارژ بیش از ظرفیت مقاوم هستند و عمر آن‌ها بیشتر از $50$ سال است. این در حالی است که باتری‌های سرب-اسید طول عمری کمتر از $12$ سال در شرایط کاری با سیکل عمیق دارند. قیمت باتری‌های نیکل-آهن $4$ برابر باتری‌های سرب-اسید است ولی از لحاظ هزینه با باتری‌های لیتیوم-یون قابل مقایسه هستند.

شارژ باتری‌های نیکل-آهن شبیه باتری‌های نیکل-کادمیوم و نیکل-متال-هیدرید است. این باتری شبیه باتری‌های سرب-اسید و لیتیوم-یون نیست که تحت تأثیر ولتاژ ثابت شارژ شود. ولتاژ این باتری‌ها مشابه با باتری‌های از جنس نیکل، با تولید گاز داخلی و افزایش دما کاهش می‌یابد. شارژ بیش از ظرفیت باعث می‌شود که تبخیر صورت گیرد و باتری خشک شود که باید از آن جلوگیری کرد.

ظرفیت کم باتری را می‌توان با جریان دشارژ بالا که بالاتر از سه برابر ظرفیت است، افزایش داد و به $30$ دقیقه رساند. در این حالت باید درنظر داشت که دمای الکترولیت از $46$ درجه‌ی سانتیگراد یا $115$ درجه‌ی فارنهایت بیشتر نشود.

نیکل-روی

باتری نیکل-روی از این جهت شبیه به باتری نیکل-کادمیوم است که در آن از الکترولیت قلیایی و الکترود نیکلی استفاده می‌شود. اما ولتاژ آن با باتری نیکل-کادمیوم متفاوت است. مقدار ولتاژ تولیدی این باتری $1.65$ ولت به ازای هر سل است. این باتری تحت ولتاژ $1.9$ ولت به ازای هر سل شارژ می‌شود. مقدار انرژی مخصوص آن $100~\rm Wh~{kg}^{-1}$ است و می‌تواند $200-300$ سیکل را طی کند. باتری نیکل-روی مواد سمی سنگین ندارد و به راحتی می‌توان آن را بازیافت کرد. این باتری هم‌اکنون در سایز $\rm AA$ وجود دارد.

در سال $ 1901$ ادیسون جایزه‌ی ثبت اختراع آمریکا برای سیستم باتری قابل شارژ نیکل-روی را دریافت کرد. بین سال‌های $ 1932$ و $1948$، این سیستم در خودروهای ریلی نصب می‌شد. مشکل اصلی این باتری دشارژ خودبه‌خودی و عمر سیکلی پایین است. عمر سیکلی پایین این باتری به دلیل رشد دندانه‌ای است که بهبود الکترولیت باعث کاهش این مشکل می‌شود و دوباره می‌توان در مصارف صنعتی نیز از آن استفاده کرد. قیمت پایین، توان خروجی بالا و محدوده‌ی عملکردی دمایی خوب، این باتری را جذاب می‌کند.

نیکل-هیدروژن

هنگامی که در سال $1967$، تحقیقات روی نیکل-متال-هیدرید شروع شد، مشکلات ناپایداری فلزات سبب شد تا توسعه‌ی باتری‌های نیکل-هیدروژن مدنظر قرار بگیرد. باتری نیکل-هیدروژن از یک محفظه‌ی هیدروژن استفاده می‌کند که در آن هیدروژن با فشار $8,270~\rm kPa$ $(1,200~\rm psi)$ قرار دارد. این سل شامل الکترود جامد نیکل، الکترود هیدروژن، صفحه‌ی غربال گاز و الکترولیت است که در یک محفظه‌ی تحت فشار قرار دارند.

باتری نیکل-هیدروژن ولتاژ نامی $1.25$ ولت و انرژی مخصوص $40-75~\rm Wh~{kg}^{-1}$ دارد. طول عمر کاری بالا حتی با سیکل‌های دشارژ کامل، طول عمر تقویمی بالا به علت کم بودن خوردگی، دشارژ خودبه‌خودی پایین و عملکرد دمایی قابل توجه از $-28^{\circ}\rm C$ تا $54^{\circ}\rm C$ ($-20^{\circ}\rm F$ تا $130^{\circ}\rm F$ ) از مزایای این باتری است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که بتوان از آن‌ها در ماهواره‌ها استفاده کرد. دانشمندان در تلاشند تا بتوانند از این باتری در مصارف زمینی نیز استفاده کنند. اما انرژی مخصوص پایین و قیمت بالا از عملی شدن این ایده جلوگیری می‌کند. یک سل تنها برای کاربردهای ماهواره‌ای، هزاران دلار هزینه دارد. در حین اینکه باتری نیکل-هیدروژن جایگزین باتری نیکل-کادمیوم در ماهواره‌ها می‌شود، یک حرکت به سمت باتری لیتیوم-یون با عمر بالا نیز وجود دارد.
برای کسب اطلاعات بیشتر لطفاً به مرجع مراجعه فرمایید.